JP4396258B2 - 二重管式排気管とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両に用いられる二重管構造の排気管とその製造方法に関する。

車両のエキゾーストマニホールドなどからなる排気管は、断熱効果や防音効果を高めるために、外管内に内管を同軸的に配置した二重管構造としたものがある（下記特許文献１参照）。

例えば、二重管構造のエキゾーストマニホールドは、端部に設けられたフランジ部を介してエンジンに連結されるが、この二重管においては、外管の一端部が縮径され、フランジ部に溶接固定され、他端は集合管内に挿入され、溶接固定されている。内管の一端部も前記フランジ部に対応する位置で外管に溶接固定されているが、他端は自由端とされている。そして、この外管の端部は、径方向内方に縮径され、リング状ビードからなる突起部が形成されている。このような突起部を端部に形成すると、内管と外管との間に一定の空間部が形成され、内管内を流れる高温のガスにより内外管の間で熱膨張の伸びに差が生じても、内管が円滑に伸縮し、過大な熱応力の発生を防止する熱伸び収縮機構が形成される（下記特許文献２参照）。

しかし、車両のエキゾーストマニホールドでは、外管を複雑に曲げ成形し、その曲率も小さくしなければならないことがある。このような場合には、前記ビード状突起部を単に端部のみに設けるのみでは、不十分となる。つまり、エンジンが始動し、暖まると、内外管の熱膨張差から内管が熱膨張により軸方向に伸びるが、外管の曲率が小さく、複雑に曲がっていると、内管が外管に近づき空間部が小さくなったり、内管が外管に接し、内外管に異常な応力が発生したり、変形などが生じる虞もある。

これを回避するため、前記突起部を曲がり部毎に多数設けることも考えられるが、内外管が接する面積が増え、防音効果や断熱効果が低減することになり、好ましくない。

そこで、接触面積が少なく、作動時の熱膨張差から空間部が小さくなったり内外管が接することもないように、突起部を設けようとすれば、位置が制約され、設計の自由度も少なくなり、製作が極めて面倒なものとなる。

また、内管の断熱効果を高めるために、内管を薄肉にすることがあるが、前述のように接触面積を少なくすると、内管の支持点が少なくなり、空間部での膜振動や、内管の支持点間の固有振動により、異音が発生する虞もある。
特開平９−５７３６２号公報（図８及び段落番号[００４１]等参照）。 特開２０００−１０４５４２号公報（図７及び図８、段落番号[０００２] [００２５]等参照）。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、第１の目的は、内外管の接触面積が少なく、作動時でも内管と外管の間の空間部が確保され、防音効果や断熱効果の低減を防止した、二重管式排気管を提供することにあり、第２の目的は、このような二重管式排気管を容易に製造することができる製造方法を提供することにある。

かかる目的を達成するために、本発明の二重管式排気管は、内管と、外管と、前記内管と外管との間に所定の空間部を生じさせる突起部とを有し、前記内外管の少なくとも一端部を固定的に保持してなる二重管式排気管であって、前記突起部は、常時接触し前記空間部を確保する第１突起部と、常時は非接触の第２突起部と、を有することを特徴とする。

また、本発明の二重管式排気管の製造方法は、外管との間に所定の空間部を生じさせるように内管に突起部を形成してなる二重管式排気管の製造方法において、相互に近接離間する一対の型内にパイプ状のワーク素材を設置し、このワーク素材内に液圧を導入して突起部を膨出成形し、前記内管を形成する工程と、この内管を外管内に挿入し、一端部を外管に溶接固定する工程と、前記溶接端とは反対側の端部より非圧縮材を充填する工程と、前記内管および空間部に非圧縮材を密封した状態で前記内外管全体を所定形状に成形する工程と、を有することを特徴とする。

本発明の二重管式排気管では、外管または内管に常時接触する第１突起部と、常時は非接触の第２突起部とを設けたので、外管が複雑に曲げられ曲率も小さい二重管式排気管であっても、内外管の接触面積は少なく、作動時には内管と外管の間の空間部が確保され、防音効果や断熱効果の低減を防止することができる。

本発明の二重管式排気管の製造方法では、ワーク素材内に液圧を導入して突起部を膨出した内管を外管内に挿入した後、一端部を溶接固定して非圧縮材を内部に充填し、この状態で内外管全体を所定形状に成形するので、内管と外管の間の空間部を確保する突起部を有しかつ外管が複雑に曲げられ曲率も小さい二重管式排気管であっても、容易に製造することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は車両のエキゾーストマニホールドを示す斜視図、図２は本発明の第１実施形態を示す、図１の２−２線に沿う断面図、図３は図２の内管のみを示す斜視図、図４は図３の４−４線に沿う断面図である。

図１において、エキゾーストマニホールドは、気筒毎にブランチ外管１，２，３（以下単に、外管と称す）が設けられ、これら外管１〜３の一端は、エンジン側に取付けられるフランジ部４に溶接により固定され、他端は、集合管５に溶接により固定されている。この集合管５は、フランジ部６に溶接にて固定される。

なお、図中の符号「７」は、フランジ部４，６をエンジンあるいは排気系のフロントパイプと連結するためのボルト孔である。

この各外管１〜３は、それぞれが全体的に曲がり部の曲率が小さく、３次元的に複雑に曲げられた構造をした二重管であるが、この内の１つについて説明する。たとえば、外管３は、図２に示すように、排気ガス流の上流側端部３ａが縮径され、フランジ部４に溶接にて固定され、下流側端部３ｂは集合管５に溶接固定されているが、両端間の中間には曲がり部８，９が設けられている。

この外管３内に設けられたブランチ内管１０（以下単に、内管と称す）は、上流側端部１０ａがフランジ部４の位置にて外管３に溶接固定され、下流側端部１０ｂは自由端とされているが、両端間の中間には前記外管３の曲がり部８，９に対応する位置に、外管３と内管１０との間に所定の空間部Ｓを形成する突起部Ｔが設けられている。

本実施形態の突起部Ｔは、外管３に常時接触し外管３内で内管１０を支持する第１突起部１１と、この第１突起部１１に隣接して設けられた第２突起部１２とから構成されている。なお、本明細書において、「常時」とは、内管１０内を排ガスが流通する如何に拘わらずの意である。

前記第１突起部１１は、前記曲がり部８，９において外管３と常時点接触するように形成された円錐状あるいは断面半円弧状の凸部であり、内管１０の周方向に沿って複数点在するように設けられている。この第１突起部１１は、内管１０を外管３内で確実に支持するために、外管３の曲がり部８，９に対応する位置のみでなく、所定のスパン毎に形成してもよく、また、外管３の下流側端部にも設けても良い。

円錐状あるいは断面半円弧状の第１突起部１１は、外管３と先端のみが接するので、内管１０と外管３との接触面積が小さく、熱伝導も少ないので、所定の許容熱伝導量の範囲内であれば、多数形成することができる。この結果、内管１０の肉厚を薄肉化しても内管１０の支持は、剛性の高いものとなる。

特に、これら各第１突起部１１の周囲には、図４に示すように、第１突起部１１と同心的に形成された１または複数の補助突起部１１ａが形成することが好ましい。この補助突起部１１ａは、第１突起部１１の周囲を取り囲むように設けられた環状突部であり、後に詳述するが、内管１０に生じる大きな応力の発生を抑制することができる。

一方、前記第２突起部１２は、内管１０の周方向に沿って形成された断面半円弧状あるいは断面三角形状の環状突部あるいはビード状突部であり、外管３とは常時は接触しない非接触状態となるように形成されている。

このように構成したエキゾーストマニホールドは、エンジンから吐出された高温の排気ガスが、内管１０内を流通する。排気ガスが流通する場合、外気温度が低い状態でのエンジン始動時（低温始動時）では、内管１０と外管３とは、第１突起部１１のみの点接触により支持されているので、内管１０から外管３への熱伝達は最小限となり、エンジン低温始動時の排気温度上昇を早めることができる。また、排気ガスにより内管１０が温度上昇すると、外管３と内管１０は、軸線方向および径方向に熱膨張するが、いずれも外管３より内管１０の方が熱膨張量は大きく、両者間では熱膨張差が生じる。

ここにおいて、温度上昇が小さく、内管１０の軸線方向の伸びが小さい場合は、両者間の熱膨張差も小さい。この差は、外管３に常時点接触している第１突起部１１が軸線方向に位置ズレし、内管１０の端部が自由端であるので吸収される。この場合、内管１０が外管３に直接接触したり、押圧することはなく、空間部Ｓも所定の大きさが確保される。また、内外管の相互接触は、第１突起部１１の点接触のみであることから、防音効果や断熱効果が低減することもない。

次に、排気ガスが温度上昇し、内管１０がさらに伸びると、両者間の熱膨張差も大きくなる。この場合、まず、第１突起部１１が径方向外方にある程度膨出するので、この第１突起部１１自体が内管１０の軸線方向位置ズレに対し摺動抵抗を発揮する支持点となり、これにより軸線方向の伸びをある程度制限できる。

また、第２突起部１２は、環状突部であるので、軸線方向に伸縮可能であることから、この第２突起部１２自体により軸線方向の伸びを吸収することができ、これにより内管１０に異常な応力の発生を抑制できる。しかも、第２突起部１２は、機械的強度を有するものであり、第１突起部１１に隣接して設けられているので、第１突起部１１が変形しても、第２突起部１２が内管１０と外管３との空間部Ｓを確保し、両者の直接接触を防止し、防音効果や断熱効果の低減を防止する。

内外管の径方向の伸びに関しては、第１突起部１１の周囲に、これを取り囲むように同心的に補助突起部１１ａが形成されているので、第１突起部１１が強力に加圧されても、補助突起部１１ａは、図４に１点鎖線で示すようにたわむことになる。したがって、径方向の伸びも、補助突起部１１ａのたわみと、第１突起部１１自体の変形とにより吸収することができ、内外管に大きな応力が発生することを防止できる。

本実施形態の内管１０は、前述の熱的影響のみでなく、振動や騒音に関しても、良好な結果が得られる。つまり、この内管１０は、曲がり部８，９あるいは所定のスパン毎、若しくは端部に、常時接触の第１突起部１１が複数設けられているので、これら第１突起部１１が外管３に対する内管１０の支持点となり、支持点間での固有振動による異音発生や疲労破壊も防止も可能になる。
＜第２の実施形態＞
図５は本発明の第２実施形態を示す、図１の２−２線に沿う断面相当図、図６は図５の６−６線に沿う断面図、図７は図５の要部を拡大した断面説明図であり、前記図１〜４に示す部材と共通する部材には同一符号を付し、説明を省略する。

本実施形態に係るエキゾーストマニホールドは、図５，６に示すように、断面が真円状の外管３に対し、内管２０の断面形状を略全長にわたり楕円形状とし、この内管２０の楕円の長辺側端部を開始点とし、軸方向略全長にわたり螺旋状の突起部２１（以下、楕円突起部２１と称す）を形成している。ただし、内管２０の一端部は、外管３との接合のため円形である。

このようにすれば、内管２０の楕円突起部２１の尖端部が軸方向略全長にわたり螺旋状に伸び、外管３と連続的に線接触することになる。したがって、外管３の曲がりが大きく複雑に曲がっている場合でも、内管１０から外管３への熱伝達は最小限となり、エンジン低温始動時の排気温度上昇を早めることができる。この場合、排気時の昇温特性をより改善するため、前記内管２０の肉厚ｔを薄くすることがある。肉厚ｔの薄い内管２０では、排気の圧力変動やエンジン運転に伴う振動応力に対し剛性不足となるが、本実施形態では、楕円突起部２１を軸方向に螺旋状に連続して形成し、外管３に接触させて内管１０を支持しているので、支持剛性が極めて高くなり、より薄肉化しても固有振動による異音発生や疲労破壊を防止できる。

また、内管２０と外管３の温度差により内管２０が熱膨張し、軸方向に伸び、応力が生じても、図７に示すように、内管２０に形成した楕円突起部２１が、低温時の形状（実線）から高温時の形状（破線）に変形するので、軸方向伸び（Ｌ_１）も吸収することができる。これにより内管２０への異常な応力の発生を防止でき、楕円突起部２１以外の部分２０ａでは、内外管の空間部Ｓが所定の状態に維持され、防音効果や断熱効果の低減を防止できる。

さらに、内管２０と外管３の温度差により内管２０が周方向に熱膨張すると、楕円突起部２１と外管３との接触圧力が高まるが、内管２０の断面形状を楕円形状としているので、図６に二点鎖線で示すように、楕円突起部２１以外の部分２０ａが自由膨張することになり、この周方向の熱膨張応力を吸収することができ、膨張−収縮に伴う永久変形の発生や疲労破壊を防止することができる。

このような二重管式排気管の製造は、下記のような方法で行う。
＜第１の製法＞
第１の製法を概説すれば、まず、一対の型内にパイプ状のワーク素材を設置し、ハイドロフォーミング工法にてワーク素材を膨出成形し、第１突起部１１、第２突起部１２あるいは楕円突起部２１（突起部Ｔと称す）を有する内管１０を形成する。次に、この内管１０をパイプ状の外管３に挿入し、一端部を溶接固定する。そして、内管１０と空間部Ｓに非圧縮材を充満した後、曲げ加工を行ない、成形する。

さらに詳述する。図８はハイドロフォーミング成形装置を示す断面図である。図８に示すように、ハイドロフォーミング成形装置は、本体部３０に固定されるボルスタ３１、下型プレート３２、押出しシリンダＣ_１,Ｃ_２、成形形状に対応した型面を有する下型３４、上型３５、スライド部３６等を有している。

パイプ状のワーク粗材Ｗ_１を下型３４にセットした後、上型３５を保持するスライド部３６を移動させ、上型３５と下型３４を合体させる。また軸押しシリンダＣ_１,Ｃ_２に取り付けた入口側液圧注入ノズルＮ_１、出口側液圧注入ノズルＮ_２をワーク粗材Ｗ_１の内面に密着するように軸方向に移動させ、ワーク粗材Ｗ_１の両端を両液圧注入ノズルＮ_１，Ｎ_２により密閉状態とする。そして、加圧ポンプ３８からの液圧が、送圧管３９、入口側液圧注入ノズルＮ_１を介してワーク粗材Ｗ_１に導入すると、上型３５と下型３４の型面に対応し、第１突起部１１、第２突起部１２あるいは楕円突起部２１を有する内管１０が形成される。なお、排出管４０の排出バルブ４１は排気後に閉状態とされる。

このようにしてハイドロフォーミング成形された突起部Ｔを有する内管１０は、次に、外管３内に挿入され、内管１０の一端部を外管３の一端部に溶接固定される。

この溶接固定後、内管１０と外管３の空間部Ｓに溶接端とは反対側の端部より非圧縮材を充填した後、内管１０および空間部Ｓに非圧縮材を密封した状態で内管１０と外管３を所定形状に曲げ加工を行ない、成形する。

このようにすれば、複雑に曲がっている２重管構造であっても内管１０の断面形状が楕円形あるいは円形如何を問わず、突起部Ｔが外管３に接触したものを容易に成形できる。
＜第２の製法＞
第２の製法を概説すれば、まず、溶接接合された４枚の重ね合わせ板材を形成し、次に、内管用板材同士の間に液圧を導入し、内管用板材を膨出させて内管を成形した後、内管と外管用板材との間に液圧を導入し、外管用板材を膨出させて外管を成形する。

図９は第２の製法に用いる重ね合わせ板材の要部断面図、図１０は同製法を示す工程図である。第２の製法では、最初に、図９に示す重ね合わせ板材Ｐを製作する。この重ね合わせ板材Ｐは、前記内管１０および外管３に対応する板材を展開した大きさを有する合計四枚の平板材Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，Ｐ_４であり、軸方向端部以外の周縁部は溶接接合されているが、軸方向端部は、図９に示すように、膨出開口され、注入口部５０ａと口元フランジ部５０ｂが形成されている。

次に、図１０Ａに示すように、前記重ね合わせ板材Ｐを上下一対の金型５１，５２にて加圧拘束し、注入口部５０ａに段付の内管成形用注入ノズル５３を挿入すると、口元フランジ部５０ｂにも注入ノズル５３が当接する。この状態で内管用板材Ｐ_２，Ｐ_３間に液圧を導入すると、内管用板材Ｐ_２，Ｐ_３は、外管用板材Ｐ_１，Ｐ_４に密着したまま膨出成形される。この段階では、外管用板材Ｐ_１，Ｐ_４は、まだ外管３としての膨出が不完全な、中間成形体３ａである。なお、図示はしていないが、この膨出成形により突起部Ｔも一緒に形成されている。

内管１０の膨出成形を終えると、内管成形用注入ノズル５３を一旦離脱させた後、図１０Ｂに示すように、中間成形体３ａを別の金型５４に移し替え、拘束し、注入口部５０ａに別の外管成形用注入ノズル５５を挿入し、内部に液圧を導入する。

この液圧は、内管１０の内部に充満した後に、図１０Ｃに示すように、外管用板材Ｐ_１，Ｐ_４の口元フランジ部５０ｂに作用し、開口部５６を形成し、外管用板材Ｐ_１，Ｐ_４と内管１０との間に導入される。これにより、外管用板材Ｐ_１，Ｐ_４が金型５４の成形面に密着するまで膨出成形すると、二重管が成形される。

ただし、この金型５４の成形面には、前記内管１０の突起部Ｔと対応する位置を突出させ、内管１０の突起部Ｔと外管３が離間しないようにする必要がある。
＜第３の製法＞
第３の製法は、第２の製法の変形例であり、概説すれば、前記第２の製法と同様の重ね合わせ板材Ｐを、１本の注入ノズルにより膨出成形するものである。

図１１は第３の製法を示す工程図であるが、図１０と共通する部材には同一符号を付している。第３の製法では、図１１Ａに示すように、注入ノズル６０は、先端部６０ａが注入口部５０ａにおける内管用板材Ｐ_２，Ｐ_３間に内接可能となっているが、ノズルボディ６０ｂには出没可能にスリーブ状のシャッタ６１が設けられている。このシャッタ６１の外径は、外管用板材Ｐ_１，Ｐ_４の口元フランジ部５０ｂ間に内接し得る大きさとされ、ノズルボディ６０ｂとシャッタ６１との間には、シール部材６２が設けられている。また、ポート６３からは、補助ポート６４が分岐し、口元フランジ部５０ｂに向けて液圧を供給できるようになっている。

金型５１，５２に重ね合わせ板材Ｐをセットした状態で、注入口部５０ａに注入ノズル６０を挿入し、先端部６０ａを内管用板材Ｐ_２，Ｐ_３間に、シャッタ６１を外管用板材Ｐ_１，Ｐ_４の口元フランジ部５０ｂ間に内接し、液圧を導入する。当初、シャッタ６１は、口元フランジ部５０ｂに内接しており、補助ポート６４は閉塞されているので、液圧は内管用板材Ｐ_２，Ｐ_３間に導入される。内管用板材Ｐ_２，Ｐ_３は、外管用板材Ｐ_１，Ｐ_４に密着したまま外管用板材Ｐ_１，Ｐ_４とともに膨出される。この時点では、二重管の中間成形体３ａが成形される。ここにおいても、図示はしていないが、前記膨出成形により突起部Ｔも一緒に形成されている。

次に、図１１Ｂに示すように、中間成形体３ａに注入ノズル６０を挿入したまま、別の金型５４に移し替え、中間成形体３ａを加圧拘束する。この加圧拘束後、シャッタ６１を所定量だけ後退し、補助ポート６４を開き、液圧を中間成形体３ａの内部に導入する。この液圧は、内管１０内に充満した後に外管用板材Ｐ_１，Ｐ_４の口元フランジ部５０ｂに作用し、図１１Ｃに示すように、口元フランジ部５０ｂに開口部５６を作り、外管用板材Ｐ_１，Ｐ_４と内管１０との間に導入される。この結果、外管用板材Ｐ_１，Ｐ_４が金型５４に密着するまで膨出すると、外管３が成形される。ただし、この場合も、金型５４の成形面の、前記内管１０の突起部Ｔと対応する位置に突出した部分を設け、外管３の膨出時に内管１０の突起部Ｔと外管３が離間しないようにする必要がある。

以上のように、本実施形態によれば、外管の曲率が小さい場合や複雑に曲がっている場合でも、熱膨張により内管が軸方向へ伸びても、曲がり部付近の複数の突起部により外管と内管との空間部が確保され、断熱効果が維持でき、また、内管の軸方向の伸びに対して環状の第２突起部が熱伸び吸収機能を発揮し、内管への異常な応力の発生を防止できる。さらに、第１突起部周辺の補助突起部により、第１突起部と外管との接点で圧力が高まっても、応力を吸収することができ、膨張収縮による永久変形や疲労破壊を防止できる。さらに、第１突起部および第２突起部は、複数の曲がり毎あるいは一定のスパン毎に設けているので、内管の肉厚が薄肉であっても複数の突起により支持され、内管の支持点間の固有振動による異音発生や疲労破壊を防止できる。

本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において種々変更使用することができる。たとえば、前記実施形態では、内管に突起部を設けているが、場合によっては外管に形成してもよい。また、前記実施形態は、車両のエキゾーストマニホールドであるが、マフラーなどからなる排気管に適用しても良い。

本発明にかかる二重管式排気管は、内外管の接触面積が少なく、作動時でも内管と外管の間の空間部が確保され、防音効果や断熱効果の低減を防止でき、外管が複雑に曲げ成形され曲率も小さいものにも適したものである。

車両のエキゾーストマニホールドを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態を示す、図１の２−２線に沿う断面図である。 図２のブランチ内管のみを示す斜視図である。 図３の４−４線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態を示す、図１の２−２線に沿う断面相当図である。 図５の６−６線に沿う断面図である。 図５の要部を拡大した断面説明図である。 ハイドロフォーミング成形装置を示す断面図である。 第２の製法に用いる重ね合わせ板材の要部断面図である。 第２の製法を示す工程図である。 第３の製法を示す工程図である。

符号の説明

３…外管、
１０…内管、
１１…第１突起部、
１１ａ…補助突起部、
１２…第２突起部、
２1…螺旋状突起、
Ｓ…空間部、
Ｔ…突起部、
Ｗ…ワーク素材。

Claims (6)

1. 内管と、外管と、前記内管と外管との間に所定の空間部を生じさせる突起部とを有し、
   前記内外管の少なくとも一端部を固定的に保持してなる二重管式排気管であって、前記突
   起部は、常時接触し前記空間部を確保する第１突起部と、常時は非接触の第２突起部と、
   を有することを特徴とする二重管式排気管。
2. 前記突起部は、前記第１突起部を、前記内管の周方向と軸方向の内、少なくとも周方向
   に複数個点在するように形成したことを特徴とする請求項１に記載の二重管式排気管。
3. 前記突起部は、前記第１突起部を、前記外管に形成された曲率を有する部分に対応する
   位置に設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の二重管式排気管。
4. 前記突起部は、前記第１突起部と第２突起部を軸方向隣接した位置に設けたことを特徴
   とする請求項１〜３のいずれかに記載の二重管式排気管。
5. 前記突起部は、前記第２突起部を周方向に沿って環状に形成したことを特徴とする請求
   項１〜４のいずれかに記載の二重管式排気管。
6. 前記突起部は、前記第１突起部と同心的に形成された１または複数の補助突起部を有す
   ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の二重管式排気管。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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